Evoliucijos varomosios jėgos: gamtinė atranka ir kiti mechanizmai

Evoliucija – tai ne vien pasakojimai apie dinozaurus ar beždžiones. Tai nuolatinis, gyvas procesas, vykstantis aplink mus kiekvieną dieną. Nuo antibiotikams atsparių bakterijų atsiradimo ligoninėse iki vabzdžių, kurie prisitaiko prie pesticidų – visa tai yra evoliucija veikianti realiu laiku. Bet kas yra tas „variklis“, kuris stumia šiuos pokyčius į priekį?

Dažnai evoliucija supaprastinama iki frazės „stipriausias išlieka“, tačiau tai tik maža didelio ir sudėtingo paveikslo dalis. Iš tiesų, gyvybės pokyčius lemia ne viena, o kelios galingos jėgos. Šioje pamokoje išnagrinėsime keturis pagrindinius evoliucijos mechanizmus, vadinamas evoliucijos varomosiomis jėgomis:

1. Gamtinę atranką – procesą, kurio metu geriausiai prisitaikę prie aplinkos individai turi daugiau šansų išgyventi ir susilaukti palikuonių.
2. Genų dreifą – atsitiktinius pokyčius populiacijos genų fonde, ypač svarbius mažose populiacijose.
3. Genų srautą – genų mainus tarp skirtingų populiacijų, kurie mažina skirtumus tarp jų.
4. Mutacijas – atsitiktinius DNR pokyčius, kurie yra vienintelis naujų alelių ir savybių atsiradimo šaltinis.

Suprasdami, kaip šios jėgos veikia ir sąveikauja, galėsime giliau pažvelgti į gyvybės istoriją ir suprasti, kodėl pasaulis aplink mus yra toks, koks yra.

Gamtinė atranka yra geriausiai žinomas ir, ko gero, svarbiausias adaptyvios evoliucijos mechanizmas. Čarlzas Darvinas jį aprašė savo veikale „Rūšių atsiradimas“ remdamasis keliomis esminėmis prielaidomis, kurias galima stebėti gamtoje.

Trys būtinos sąlygos gamtinei atrankai

1. Požymių kintamumas (variacija). Bet kurios populiacijos individai skiriasi vienas nuo kito savo požymiais (pvz., spalva, dydžiu, atsparumu ligoms). Ši įvairovė yra „žaliava“, su kuria gali dirbti atranka.
2. Paveldimumas. Požymiai, kurie suteikia pranašumą, turi būti paveldimi, t. y., perduodami iš tėvų palikuonims per genus. Jei sėkmingas individas savo naudingų savybių negali perduoti vaikams, evoliucija nevyksta.
3. Diferencinis išgyvenamumas ir dauginimasis. Individai su tam tikrais paveldimais požymiais turi didesnę tikimybę išgyventi ir susilaukti daugiau palikuonių nei kiti, nes jų požymiai padeda geriau susidoroti su aplinkos iššūkiais (rasti maisto, išvengti plėšrūnų, atlaikyti klimato sąlygas). Dėl to, laikui bėgant, naudingi aleliai populiacijoje tampa dažnesni.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Infografikas, vaizduojantis tris gamtinės atrankos sąlygas. 1) Vabaliukų populiacija su spalvų variacija (geltoni ir žali). 2) Parodyta, kaip žali vabaliukai perduoda žalią spalvą savo palikuonims. 3) Paukštis lesa labiau matomus geltonus vabaliukus, todėl žali vabaliukai išgyvena ir dauginasi dažniau.

Gamtinės atrankos tipai

Gamtinė atranka gali veikti populiacijos požymių pasiskirstymą trimis pagrindiniais būdais:

Nors gamtinė atranka yra pagrindinis adaptacijas kuriantis mechanizmas, evoliucija nėra vien tik prisitaikymas. Kitos jėgos, veikiančios populiacijas, yra paremtos atsitiktinumu ir genų mainais.

Genų dreifas: atsitiktinumo galia

Genų dreifas – tai alelių dažnių pokyčiai, vykstantys visiškai atsitiktinai. Jis neturi nieko bendra su organizmo prisitaikymu ar „tinkamumu“. Įsivaizduokite, kad kelią perbėgančių elnių bandą partrenkia automobilis – žūsta tie individai, kurie tiesiog pasitaikė netinkamoje vietoje netinkamu laiku, o ne todėl, kad jie buvo lėtesni ar silpnesni. Dėl tokių atsitiktinumų tam tikri aleliai gali visiškai išnykti iš populiacijos, o kiti – įsitvirtinti (fiksuotis), net jei jie nėra naudingi. Genų dreifo poveikis ypač stiprus mažose populiacijose.

Du klasikiniai genų dreifo pavyzdžiai:

• Butelio kaklelio efektas. Kai populiacija patiria staigų ir drastišką sumažėjimą (dėl gaisro, potvynio, ligos), išlieka tik nedidelė, atsitiktinė dalis individų. Jų genų fondas greičiausiai bus kitoks ir turės mažesnę įvairovę nei pradinė populiacija. Pavyzdžiui, šiauriniai jūros drambliai XIX a. pabaigoje dėl medžioklės buvo beveik išnaikinti, išliko vos ~20 individų. Nors dabar jų populiacija atsikūrė, jų genetinė įvairovė yra labai maža, palyginti su pietiniais jūros drambliais. 📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Butelio kaklelio efekto schema: platus butelis su įvairių spalvų rutuliukais (pradinė populiacija); apverstas butelis, iš kurio pro siaurą kaklelį išbyra tik keli atsitiktiniai rutuliukai (išlikusi populiacija); tie keli rutuliukai atkuria naują populiaciją, kurios spalvų proporcijos kitokios nei pradinėje.

• Pradininko (įkūrėjo) efektas. Kai nedidelė grupė individų atsiskiria nuo didelės motininės populiacijos ir įkuria naują koloniją, jie su savimi atsineša tik dalį pradinės populiacijos genetinės įvairovės. Dėl to naujoje populiacijoje tam tikrų alelių dažniai gali labai skirtis. Pavyzdžiui, amišų bendruomenėse Pensilvanijoje daug dažniau pasitaiko Ellis-van Creveldo sindromas (nykštukizmas ir papildomi pirštai), nes vienas iš bendruomenės įkūrėjų buvo šio reto alelio nešiotojas. 📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Pradininko efekto schema: didelis žemynas su įvairių spalvų drugeliais (pradinė populiacija); keli atsitiktiniai drugeliai nuskrenda į salą (pradininkai); saloje susiformuoja nauja populiacija, kurios spalvų proporcijos kitokios nei žemyne.

Genų srautas: populiacijų maišymasis

Genų srautas, arba migracija, yra alelių judėjimas tarp populiacijų. Kai individai iš vienos populiacijos persikrausto ir sėkmingai kryžminasi su kitos populiacijos nariais, jie atneša naujų alelių arba pakeičia esamų alelių dažnius.

Genų srautas veikia priešingai nei genų dreifas ar išskiriančioji atranka – jis mažina genetinius skirtumus tarp populiacijų. Jei tarp dviejų populiacijų vyksta intensyvus genų srautas, jos laikui bėgant tampa genetiškai vis panašesnės. Jei genų srautas nutrūksta (pvz., populiacijas atskiria geografinis barjeras), jos gali pradėti evoliucionuoti skirtingomis kryptimis ir ilgainiui virsti atskiromis rūšimis.

Pavyzdys: viename slėnyje augančių gėlių žiedadulkės vėjo gali būti nunešamos į kitą slėnį, kur apdulkina kitos populiacijos gėles. Taip aleliai iš pirmosios populiacijos patenka į antrosios populiacijos genų fondą.

Perskaičius apie teorinius evoliucijos mechanizmus, pats laikas pamatyti juos veikiant. Ši interaktyvi PhET simuliacija leis jums patiems valdyti atrankos slėgį ir stebėti, kaip keičiasi triušių populiacija.

Užduotis: tapkite evoliucijos eksperimentatoriumi

• Interaktyvus modelis: Gamtinė atranka (PhET)
  • Ką darysite? Simuliacijoje valdysite vilkus (plėšrūnus) ir maisto kiekį (aplinkos sąlygas), taip pat galėsite įvesti mutacijas (pvz., kailio spalvos) į triušių populiaciją. Stebėkite, kaip keičiasi populiacijos dydis ir paveldimų požymių (kailio spalvos) pasiskirstymas per kartas.
  • Tikslas: Suprasti, kaip atrankos slėgis (plėšrūnai) ir genetinė įvairovė (mutacijos) lemia adaptyvius pokyčius. Eksperimentuokite su skirtingomis aplinkos sąlygomis (sniegas, dykuma) ir stebėkite kryptingąją atranką.

Visi iki šiol aptarti mechanizmai – gamtinė atranka, genų dreifas ir genų srautas – tik perskirsto jau egzistuojančius alelius populiacijoje. Tačiau iš kur atsiranda nauji aleliai? Atsakymas – mutacijos.

Mutacija yra atsitiktinis ir nuolatinis DNR molekulės pokytis. Tai gali būti vos vieno nukleotido pasikeitimas, DNR fragmento iškritimas, įsiterpimas ar padvigubėjimas.

Mutacijų svarba ir pobūdis

• Vienintelis naujos genetinės medžiagos šaltinis. Be mutacijų evoliucija ilgainiui sustotų, nes nebūtų naujos genetinės įvairovės, iš kurios galėtų rinktis kiti mechanizmai. Jos sukuria „žaliavą“, ant kurios veikia gamtinė atranka.
• Mutacijos yra atsitiktinės. Jos neįvyksta „pagal poreikį“ ar todėl, kad organizmui reikia naujo požymio. Jos tiesiog atsitinka dėl klaidų DNR replikacijos metu ar aplinkos veiksnių (mutagenų) poveikio. Ar mutacija bus naudinga, ar žalinga, priklauso nuo aplinkos, kurioje organizmas gyvena.
• Dauguma mutacijų yra neutralios arba žalingos. Dauguma atsitiktinių pokyčių sudėtingame mechanizme, koks yra organizmas, greičiau kažką sugadins, nei patobulins. Žalingos mutacijos dažnai yra greitai pašalinamos iš populiacijos gamtinės atrankos būdu. Neutralios mutacijos neturi įtakos organizmo tinkamumui ir gali išlikti populiacijoje dėl genų dreifo.
• Retai pasitaiko naudingų mutacijų. Labai retais atvejais atsitiktinis pokytis gali suteikti organizmui pranašumą. Pavyzdžiui, mutacija, suteikianti vabzdžiui atsparumą pesticidui, arba mutacija, leidžianti bakterijai virškinti naują maisto šaltinį. Būtent tokias naudingas mutacijas „pagauna“ ir išplatina gamtinė atranka, taip skatindama adaptaciją.

Svarbu prisiminti: mutacijos sukuria įvairovę, o gamtinė atranka šią įvairovę „filtruoja“, palikdama tuos variantus, kurie geriausiai tinka esamomis sąlygomis.

Kad būtų lengviau apibendrinti ir palyginti visus keturis pagrindinius evoliucijos mechanizmus, pasinaudokime šia lentele. Ji puikiai tinka greitam pasikartojimui ir esminių skirtumų įsiminimui.